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消落带(Water-level-fluctuation zone)又称水位涨落带,是指水库等人工水域或河流、湖泊等自然水域,受到季节性或周期性水量变化亦或蓄水泄洪等人为措施的影响,使淹没土地周期性出露于水面,最终在不同海拔水位线之间的特殊区域形成消落带[1-2]。近年来,像三峡大坝等这类大型水利工程的兴建而使消落带逐渐被发现并研究,也越来越引起当地政府和生态学者的关注,进而使其内部产生了特殊而显著的环境因子、生态变化过程及梯度性的植物群落结构,也拥有了新的生态效益和污染物净化功能[3-4]。三峡水库作为三峡水利枢纽工程建成后的地球上最大的人工水库,在其建成后为了增加水库使用年限,三峡水库采取夏降冬升的蓄水方式来存清去浊,与蓄水前自然消落带相比,其水位涨落节奏与规律彻底相反——每年6—9月为汛期,排水去沙,水位降至145 m,度过汛期后存清蓄水使水位升至175 m[5],三峡库区消落带受反季节性水库水位变化的影响在面临外界扰动时十分脆弱,极易出现水土流失等一系列问题,使生态平衡被破坏而造成生态系统多样性减少等生态系统退化问题[6],消落带作为活跃而不稳定的生态脆弱带如今在维护岸边生态平衡、保护水库及水体、能量流动等方面发挥着至关重要的作用[7-8]。
长期生长于陆地的植物在周期性干湿交替变化生境协同进化的条件下形成消落带植被,其作为水库管理的重要对象,具有特定的生态适应性等特点,是生态系统功能的主体[9],同时对于保护消落带的生态系统平衡以及发挥其特有的生态功能起到很大的作用。消落带植物物种多样性、群落构成和群落分布在三峡水库蓄水后,受水文情势变化影响,也会相应的发生改变。当植物处于淹水时,其对水淹造成的缺氧土壤环境的耐受能力在很大程度上会对植物群落组成的变化产生影响,而在水淹干扰梯度上决定植物群落物种组成及分布的主要环境参数为不同海拔高度、植物受水淹的时长及强度[10-11]。Lomolino[12]认为,环境变量之间的协作与互作在很大程度上影响多样性与海拔梯度格局之间存在的正相关、负相关或单峰关系。重要值(IV)是对群落中某物种作用和地位进行综合评定的重要数量指标,可以表示物种在群落中的相对重要性及其所起的作用大小[13-14]。目前,前人对受到短时间水淹的三峡库区消落带的植物群落组成、植被结构及其动态变化进行了大量的研究,但是经历长期水淹后,由于环境的不断变化,消落带植物会不断通过其自身的形态变化或生理过程的改变来调节自身以增强其适应变化环境的能力[15]。但消落带区域遭受水淹后的复杂生境及自然或人为干扰的影响,消落带植被构成仍具有较强的波动性和变化性,消落带植被的物种、群落及系统多样性和空间结构在经历长期水位涨落后的变化如何?植物又会表现怎样特定的生活型以适应周期性水淹后的复杂环境?本研究依托 2014年消落带秭归段样地的野外调研资料,于2019年7月对水位涨落5周年后消落带145~175 m内的植被进行重新调查,研究其植物群落自然分布特征及物种多样性,旨在为三峡库区消落带的植被保护、修复和管理提供科学依据。希望从物种多样性角度出发,探究三峡库区消落带植物群落在经历长期干湿生境交替环境下的群落结构和分布特征,同时分析消落带的植被现状,进而为三峡库区消落带的植被生长、保护和管理提供科学依据。
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2008年8月在秭归县茅坪镇典型消落带区域设置固定样地,并在样地中选取代表性的次生植被和弃耕地植被,使调查样地能够较全面地反映消落带秭归段植被及土壤环境特征,采用湿地草本群落生态学的调查方法,在每个样地沿消落带下部高程(145~155 m)、中部(155~165 m)和上部(165~175 m)各设置1个 10 m × 30 m样带,每个样带内均匀设置12个 5 m × 5 m的网格,并在每个网格内设置5个1 m × 1 m的草本样方,现场调查样方内每种植物的种名、株数、盖度、平均高度及植物生活型。样方坡度用多功能坡度仪测量,采用便携式手持GPS测定每个样方的海拔,样地情况见表1。
样地编号
Samplenumber经度(E)
Longitude纬度(N)
Latitude坡度
Slope/(°)坡向
Slope aspect地理位置
Geographical position1 110°56' 30°52' 32~42 北偏西 秭归县松树坳 2 110°55' 30°53' 32~32 北偏西 秭归县杉木溪 3 110°55' 30°52' 27~37 北偏东 秭归县中坝村 4 110°54' 30°53' 30~33 北偏东 秭归县兰陵溪 5 110°55' 30°52' 22~30 北偏东 秭归县兰沙湾 Table 1. Basic characteristics of the plots
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利用Excel2016进行数据处理及作图、SPSS17.0软件进行单因素方差分析、相关性分析等。
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以所调查的样方作为资源状态,选取重要值作为评价群落中各物种相对重要性的综合数量指标。
重要值=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3
相对密度=某个种的个数/所有的个体之和×100%
相对盖度=某个种的盖度/所有的盖度之和×100%
相对频度=某个种的频度/所有的频度之和×100%
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选取Shannon-Weiner指数(H)、Pielou均匀度指数(E)、Simpson优势度指数(D)、丰富度指数(S),反映消落带生物多样性的变化和空间分布特征[17-18]。
H = -
$\displaystyle\sum $ (PilogPi)E = Hln(S)
$D=1-{\displaystyle\sum }_{ni=1}^{N}{Pi}^{2}$ S = 样方物种数
式中:Pi表示第i个种的多度比例;S代表出现物种的个数;ni表示第i个物种的个体数;N代表出现物种的个体总数。
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对研究区植物生活型依据《中国植物志》进行划分[19],共区分出乔木、灌木、藤本、多年生草本、1年生草本等9种生活型。
2.1. 样地设置
2.2. 研究方法
2.2.1. 重要值
2.2.2. 生物多样性指数
2.2.3. 植物生活型组成
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2019年在消落带秭归段区域共发现并确定草本植被群落共有18科39属47种(表2),与2014年(15科27属39种)相比,增加24种新物种,全为陆生植物,分别是牛筋草( Eleusine indica (Linn.) Gaertn.)、斑地锦( Euphorbia maculata Linn)、斑种草(Bothriospermum chinense Bge)、粗毛牛膝草(Achyranthes aspera var. fruticosa (Lam.) Boerl)、地锦(Parthenocissus tricuspidata (Sieb. et Zucc.) Planch)、飞蓬草(Erigeron acer Linn)、合萌(Aeschynomene indica Linn)、假酸浆(Nicandra physalodes (Linn.) Gaertn)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides (Mart.) Griseb)、蓝花参(Wahlenbergia marginata (Thunb.) A. DC)、荔枝草(Salvia plebeia R. Br)、芒(Miscanthus sinensis Anderss)、求米草(Oplismenus undulatifolius (Arduino) Beauv)、鼠麴草(Gnaphalium affine D. Don)、双穗雀稗( Paspalum paspaloides (Michx.) Scribn)、苏门白酒草(Conyza sumatrensis (Retz.) Walker)、苘麻(Abutolon theo0phrasti Medicus)、雾水葛(Pouzolzia zeylanica (L.) Benn)、响铃豆(Crotalaria albida Heyne ex Roth)、野胡萝卜(Daucus carota Linn)、紫花野百合(Crotalaria sessiliflora L)、酢浆草(Oxalis corniculata Linn)、山莴苣(Lagedium sibiricum (Linn.) Sojak)、小蓬草(Conyza canadensis (Linn.) Cronq),减少16种陆生植物,分别是野艾蒿(Artemisia lavandulaefolia DC)、巴东醉鱼草(Buddleja albiflora Hems)、翅茎冷水花( Pilea subcoriacea (Hand.-Mazz.) C. J. Chen)、光头稗(Echinochloa colonum (Linn.) Link)、海金沙(Lygodium japonicum (Thunb.) Sw)、胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)、截叶铁扫帚(Lespedeza cuneata (Dum.-Cours.) G. Don)、两型豆(Amphicarpaea edgeworthii Benth)、葎草(Humulus scandens (Lour.) Merr)、木防己(Cocculus orbiculatus (Linn.) DC)、土荆芥( Chenopodium ambrosioides Linn.)、水田稗(Echinochloa oryzoides (Ard.) Flritsch)、叶下珠(Phyllanthus urinaria Linn)、一年蓬(Erigeron annuus (Linn.) Pers)、喜旱莲子草( Alternanthera philoxeroides (Mart.) Griseb)、茵陈蒿(Artemisia capillaris Thunb)。菊科和禾本科是该区的优势科,2014年分别占此区域草本总科数的25.6%、20.5%;2019年分别占此区域草本总科数的25.5%、21.3%。廖科、豆科和大戟科其次,其它科差别不大,单种、属现象明显。
物种名称
Species科
Families属
Genera年份
Year不同海拔物种的重要值
Important values of species at different altitudes145~155 m 155~165 m 165~175 m 稗草 Echinochloa crusgalli 禾本科 Gramineae 稗属 Echinochloa 2014 0.047 0 — — 2019 — 0.015 8 0.047 8 马唐 Digitaria sanguinalis 禾本科 Gramineae 马唐属 Digitaria 2014 — 0.060 5 — 2019 0.046 8 0.075 3 0.065 9 芒 Miscanthus sinensis 禾本科 Gramineae 芒属 Miscanthus 2014 — — — 2019 — 0.016 8 — 毛马唐 Digitaria chrysoblephara 禾本科 Gramineae 马唐属 Digitaria 2014 0.097 8 0.101 2 0.107 7 2019 0.078 9 0.159 4 0.056 8 狗尾草 Setaria viridis 禾本科 Gramineae 狗尾草属 Setaria 2014 0.111 4 0.088 7 — 2019 0.130 1 0.007 5 0.071 7 狗牙根 Cynodon dactylon 禾本科 Gramineae 狗牙根属 Cynodon 2014 0.213 2 0.1059 — 2019 0.203 8 0.174 2 0.102 9 牛筋草 Eleusine indica 禾本科 Gramineae 穇属 Eleusine 2014 — — — 2019 0.002 8 — — 求米草 Oplismenus undulatifolius 禾本科 Gramineae 求米草属 Oplismenus 2014 — — — 2019 — 0.008 9 — 雀稗 Paspalumthunbergii 禾本科 Gramineae 雀稗属 Paspalum 2014 — 0.048 3 0.019 9 2019 0.013 4 0.015 8 0.047 8 双穗雀稗 Paspalum paspaloides 禾本科 Gramineae 雀稗属 Paspalum 2014 — — — 2019 — 0.030 9 — 光头稗 Echinochloa colonum 禾本科 Gramineae 稗属 Echinochloa 2014 — 0.048 3 — 2019 — — — 水田稗 Echinochloa oryzoides 禾本科 Gramineae 稗属 Echinochloa 2014 0.013 2 0.006 1 0.019 9 2019 — — — 鬼针草 Bidens pilosa 菊科 Compositae 鬼针草属 Bidens 2014 — 0.013 6 — 2019 0.058 5 0.040 7 0.030 1 艾草 Artemisia argyi 菊科 Compositae 蒿属 Artemisia 2014 — 0.0664 0.0035 2019 — 0.0230 0.0528 飞蓬草 Erigeron acer 菊科 Compositae 飞蓬属 Erigeron 2014 — — — 2019 — 0.027 3 0.051 3 一年蓬 Erigeron annuus 菊科 Compositae 飞蓬属 Erigeron 2014 0.029 0 0.009 6 0.023 5 2019 — — — 藿香蓟 Ageratum conyzoides 菊科 Compositae 藿香蓟属 Ageratum 2014 0.035 5 0.036 4 0.029 4 2019 — — 0.010 5 狼把草 Bidens tripartita 菊科 Compositae 鬼针草属 Bidens 2014 0.036 2 0.045 7 — 2019 0.006 0 0.028 4 — 醴肠 Eclipta prostrata 菊科 Compositae 鳢肠草属 Eclipta 2014 0.011 3 0.006 1 — 2019 0.019 1 0.041 3 0.009 1 鼠麴草 Gnaphalium affine 菊科 Compositae 麯鼠草属 Gnaphalium 2014 — — — 2019 0.039 1 0.004 4 0.006 9 苏门白酒草 Conyza sumatrensis 菊科 Compositae 白酒草属 Conyza 2014 — — — 2019 — 0.025 0 — 小蓬草 Conyza canadensis 菊科 Compositae 白酒草属 Conyza 2014 — — — 2019 — 0.006 7 — 山莴苣 Lagedium sibiricum 菊科 Compositae 山莴苣属 Lagedium 2014 — — — 2019 — — 0.015 6 野茼蒿 Crassocephalum crepidioides 菊科 Compositae 野茼蒿属 Crassocephalum 2014 — 0.010 8 — 2019 — 0.009 2 — 苍耳 Xanthium sibiricum 菊科 Compositae 苍耳属 Xanthium 2014 0.067 0 0.046 6 — 2019 — 0.053 6 0.010 1 茵陈蒿 Artemisia capillaris 菊科 Compositae 蒿属 Artemisia 2014 — 0.027 0 — 2019 — — — 野艾蒿 Artemisia lavandulaefolia 菊科 Compositae 蒿属 Artemisia 2014 — 0.053 7 0.040 8 2019 — — — 地锦 Euphorbia humifusa 大戟科 Euphorbiaceae 地锦属 Euphorbia 2014 — — — 2019 — 0.054 0 0.011 4 斑地锦 Euphorbia maculata 大戟科 Euphorbiaceae 大戟属 Euphorbia 2014 — — — 2019 — 0.024 2 — 蜜甘草 Phyllanthus ussuriensis 大戟科 Euphorbiaceae 叶下珠属 Phyllanthus 2014 0.031 4 0.062 2 — 2019 0.010 6 0.029 7 0.008 3 叶下珠 Phyllanthus urinaria 大戟科 Euphorbiaceae 叶下珠属 Phyllanthus 2014 0.021 1 — — 2019 — — — 铁苋菜 Acalypha australis 大戟科 Euphorbiaceae 铁苋菜属 Acalypha 2014 0.032 2 0.002 9 — 2019 0.027 3 0.003 8 — 红蓼 Polygonum orientale 蓼科 Polygonaceae 蓼属 Polygonum 2014 0.016 2 0.012 9 — 2019 — 0.023 8 — 水蓼 Polygonum hydropiper 蓼科 Polygonaceae 蓼属 Polygonum 2014 — 0.015 7 — 2019 0.006 8 — — 酸模叶蓼 Polygonum lapathifolium 蓼科 Polygonaceae 蓼属 Polygonum 2014 0.044 5 0.026 0 0.002 9 2019 0.034 5 0.003 0 — 香蓼 Polygonum viscosum 蓼科 Polygonaceae 蓼属 Polygonum 2014 0.016 2 0.003 5 0.012 9 2019 0.004 2 0.014 9 — 假酸浆 Nicandra physalodes 茄科 Solanaceae 假酸浆属 Nicandra 2014 — — — 2019 0.012 8 — — 蓝花参 Wahlenbergia marginata 桔梗科 Campanu-laceae 蓝花参属 Wahlenbergia 2014 — — — 2019 — — 0.034 4 荔枝草 Salvia plebeia 唇形科 Labiatae 鼠尾草属 Salvia 2014 — — — 2019 — 0.017 7 — 茼麻 Abutilon theophrasti 锦葵科 Malvaceae 茼麻属 Abutilon 2014 — — — 2019 0.038 6 0.024 1 — 雾水葛 Pouzolzia zeylanica 荨麻科 Urticaceae 雾水葛属 Pouzolzia 2014 — — — 2019 0.006 0 0.015 0 0.010 7 翅茎冷水花 Pilea subcoriacea 荨麻科 Urticaceae 冷水花属 Urticaceae 2014 0.052 2 0.010 4 0.058 3 2019 — — — 香附子 Cyperus rotundus 莎草科 Cyperacaae 莎草属 Cyperus 2014 — 0.041 4 0.131 1 2019 0.122 9 0.034 1 0.036 9 响铃豆 Crotalaria albida 豆科 Leguminosae 猪屎豆属 Crotalaria 2014 — — — 2019 — — 0.0030 合萌 Aeschynomene indica 豆科 Leguminosae 合萌属 Aeschynomene 2014 — — — 2019 — 0.010 3 0.010 3 紫花野百合 Crotalaria sessiliflora 豆科 Leguminosae 猪屎豆属 Crotalaria 2014 — — — 2019 — 0.013 5 — 胡枝子 Lespedeza bicolor 豆科 Leguminosae 胡枝子属 Lespedeza 2014 — 0.002 8 — 2019 — — — 截叶铁扫帚 Lespedeza cuneata 豆科 Leguminosae 胡枝子属 Lespedeza 2014 — 0.007 4 — 2019 — — — 两型豆 Amphicarpaea edgeworthii 豆科 Leguminosae 两型豆属 Amphicarpaea 2014 — 0.007 3 — 2019 — — — 酢浆草 Oxalis corniculate 酢浆草科 Oxalidaceae 酢浆草属 Oxalis 2014 — — — 2019 0.045 6 0.005 2 0.009 8 附地菜 Trigonotis peduncularis 紫草科 Boraginaceae 附地菜属 Trigonotis 2014 0.016 5 — — 2019 0.007 4 0.013 4 0.004 5 斑种草 Bothriospermum chinense 紫草科 Boraginaceae 斑种草属 Bothriospermum 2014 — — — 2019 — — 0.023 0 匍茎通泉草 Mazus miguelii 玄参科 Scrophulariacea 通泉属 Mazus 2014 0.064 2 0.133 6 — 2019 — 0.045 6 — 巴东醉鱼草 Buddleja albiflora 玄参科 Scrophulariacea 醉鱼草属 Buddlejaceae 2014 — — 0.002 9 2019 — — — 野胡萝卜 Daucus carota 伞形科 Umbelliferae 胡萝卜属 Daucus 2014 — — — 2019 — 0.005 9 0.021 8 空心莲子草 Alternanthera philoxeroides 苋科 Amaran-thaceae 莲子草属 Alternanthera 2014 — — — 2019 0.008 7 0.031 5 — 粗毛牛膝草 Achyranthes aspera 苋科 Amaranthaceae 牛膝属 Achyranthes 2014 — — — 2019 0.087 0 — — 海金沙 Lygodium japonicum 海金沙科 Lygodiaceae 海金沙属 Lygodium 2014 — 0.036 4 — 2019 — — — 葎草 Humulus scandens 桑科 Moraceae 葎草属 Humulus 2014 — 0.008 7 — 2019 — — — 木防己 Cocculus orbiculatus 防己科 Menispermaceae 木防己属 Cocculus 2014 — 0.042 4 — 2019 — — — 喜旱莲子草 Alternanthera philoxeroides 苋科 Amaranthaceae 莲子草属 Alternanthera 2014 0.020 0 — — 2019 — — — 土荆芥 Chenopodium ambrosioides 藜科 Chenopodiaceae 藜属 Chenopodium 2014 — 0.027 9 — 2019 — — — 紫萼蝴蝶草 Ageratum conyzoides 玄参科 Compositae 蝴蝶草属 Ageratum 2014 0.035 5 0.036 4 0.029 4 2019 — — 0.010 5 Table 2. Speciescompositionofplantcommunityinthewater-level-fluctuationzoneof Three Gorges reservoir areain Zigui
消落带草本植物物种随海拔高度不同,植物种类也有所不同。在145~155 m海拔高度,对物种要求最严格,如假酸浆、粗毛牛膝草、附地菜等物种只出现在此海拔;随着海拔增加,“新”植物陆续出现,155~165 m区段是植物种类最丰富的区段,相比海拔145~155 m区段,2014年增加马唐、光头稗等物种;2019年则增加如小蓬草,野茼蒿、苏门白酒草等物种;海拔165~175 m区段2014年增加截叶铁扫帚、巴东醉鱼草等物种;2019则增加山莴苣、响铃豆、蓝花参等物种。可见,消落带在经历几次水位涨落后,库区植被对淹水持续时长和水淹程度有不同的响应。由表中物种重要值可知,2014年与2019年相比,低海拔区域(145~155 m)主要优势物种均为狗牙根(2014年 Iv 0.213 2、2019年 Iv 0.203 8)、狗尾草(2014年 Iv 0.111 4、2019年 Iv 0.130 1);中海拔区域(155~165 m)主要优势物种均为狗牙根(2014年 Iv 0.105 9、2019年 Iv 0.174 2)、毛马唐(2014年 Iv 0.101 2、2019年 Iv 0.159 4):而高海拔区域(165~175 m)2014年主要优势物种是毛马唐、香附子(2014年 Iv 0.107 7、 0.131 1),2019年则变为狗牙根、狗尾草(2019年 Iv 0.102 9、0.071 7、)。
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消落带秭归段区域植被共有9种生活型(表3),2014、2019年海拔145~155 m区段生活型均为4种;海拔155~165 m区段生活型2014年为3种、2019年为4种,新增亚灌木为苘麻;海拔165~175 m区段生活型2014年与2019年均为9种,除1年生草本、多年生草本、1、2年生草本、落叶乔木外,其他中还包括蔓生草本、亚灌木、藤本、蕨类以及1年生或多年生草本。1年生草本植物在消落带不同海拔高程中均为优势生活型并占有绝对优势,其中,海拔145~155 m区段2014年、2019年1年生草本植物分别有18种、19种,占统计植物种的69.2%、70.3%;多年生草本植物经历5次干湿交替变化后无变化,2019年依然为6种,分别占统计植物种的23.1%、22.2%;而1、2年生草本植物也无变化,均为1种,分别占统计植物种的3.8%、3.7%;蔓生草本植物均为1种,分别占统计植物种的3.8%、3.7%;海拔155~165 m区段2014年、2019年1年生草本植物分别有19种、20种,占统计植物种的73.1%、69.0%;多年生草本植物2014年为6种、2019年为7种,分别占统计植物种的23.1%、24.1%;1、2年生草本植物均为1种,分别占统计植物种的3.8%、3.4%;2019年灌木1种,占统计植物种的3.4%。拔165~175 m区段2014年、2019年1年生草本植物分别有19种、20种,占统计植物种的51.4%、52.6%;其他生活型:如藤本、蕨类以及1年生或多年生草本分别占统计植物种的21.6%、21.1%。与低海拔145~155 m相比,海拔165~175 m区段的植物生活型种类增加。
海拔
Altitude/m种数
Number生活型
Lifetype年份
Year比例
Proportion/%145~155 18 1年生草本 2014 69.2 19 2019 70.3 6 多年生草本 2014 23.1 6 2019 22.2 1 1、2年生草本 2014 3.8 1 2019 3.7 1 蔓生草本 2014 3.8 1 2019 3.7 155~165 19 1年生草本 2014 73.1 20 2019 69.0 6 多年生草本 2014 23.1 7 2019 24.1 1 1、2年生草本 2014 3.8 1 2019 3.4 0 亚灌木 2014 0 1 2019 3.4 165~175 19 1年生草本 2014 51.3 20 2019 52.6 8 多年生草本 2014 21.6 8 2019 21.1 1 1、2年生草本 2014 2.7 1 2019 2.6 1 落叶乔木 2014 2.7 1 2019 2.6 8 其他 2014 21.6 8 2019 21.1 Table 3. Thelifetypeoftheplantinthe Ziguisection
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2014年与2019年消落带秭归段植物群落的物种多样性沿水位海拔高度的变化见图1。依据不同海拔记录的物种数据,分析物种生活型组成沿高程的变化可以得出:受到三峡库区水位变化影响,消落带植物群落中的物种多样性指数均在低海拔区段(145~155 m)达到最低值,其中,物种丰富度指数随海拔的变化范围2014年为22~27、2019年为25~36;Shannon-Weinon指数随海拔的变化范围2014年为2.204~2.444、2019年为1.874~2.297;以个体数量和物种重要值为基础的物种均匀度指数随海拔的变化范围2014年为0.713~0.759、2019年为0.582~0.641;优势度指数随海拔的变化范围2014年为0.824~0.884、2019年为0.825~0.927。不同年份各指数的最高值基本都出现在海拔155~165 m区段,这可能是因为中等海拔区段在水库运行期间的淹水时间最长,受水淹胁迫程度最大,导致仅有狗牙根等少数耐水淹胁迫物种可以形成相对稳定的群落。